Phân tích ứng xử của nhà cao tầng có sử dụng thiết bị cản nhớt cho hệ tầng cứng

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ VĂN CHUẪN

PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA NHÀ CAO TẦNG
CÓ SỬ DỤNG THIẾT BỊ CẢN NHỚT
CHO HỆ TẦNG CỨNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Đà Nẵng – Năm 2018


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ VĂN CHUẪN

PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA NHÀ CAO TẦNG
CÓ SỬ DỤNG THIẾT BỊ CẢN NHỚT
CHO HỆ TẦNG CỨNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình DD&CN
Mã số: 60.58.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. TRẦN ANH THIỆN

Đà Nẵng – Năm 2018


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn “Phân tích ứng xử của nhà cao tầng có sử dụng
thiết bị cản nhớt cho hệ tầng cứng” là công trình nghiên cứu của bản thân, được thực
hiện trên cơ sở nghiên cứu, tính toán dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Trần Anh
Thiện.
Các số liệu trong luận văn có nguồn trích dẫn, kết quả trong luận văn là trung
thực và chưa từng được công bố trong các công trình nghiên cứu khác.
Tác giả luận văn

Lê Văn Chuẫn


ii

PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA NHÀ CAO TẦNG
CÓ SỬ DỤNG THIẾT BỊ CẢN NHỚT CHO HỆ TẦNG CỨNG
Tóm tắt - Khái niệm hệ tầng cứng có độ cản được đề xuất phát triển bởi công ty Arup và lần đầu tiên
được ứng dụng trong thiết kế công trình cao tầng vào năm 2009. Luận văn này khảo sát ứng xử của
nhà cao tầng bê tông cốt thép có sử dụng thiết bị cản nhớt cho hệ tầng cứng. Kết quả phân tích cho
thấy việc sử dụng hệ tầng cứng có thiết bị cản nhớt giúp làm giảm đáng kể chuyển vị đỉnh, chuyển vị
lệch tầng, giảm momen cũng như lực cắt đáy khi công trình chịu tải trọng động đất. Cùng với các ưu
điểm so với các thiết bị điều khiển thụ động khác, đây là một kỹ thuật hiệu quả trong thiết kế kháng
chấn nhà cao tầng.
Từ khóa: hệ tầng cứng có cản nhớt, nhà cao tầng, thiết kế kháng chấn, bê tông cốt thép.

DYNAMIC RESPONSE OF TALL BUILDINGS WITH DAMPED OUTRIGGER
SYSTEMS
Abstract – Damped outrigger concept was developed by Arup company and first applied into the
design of tall buildings in 2009. This thesis investigates the effectiveness of using damped outrigger
systems in reinforced concrete tall buildings in seismic design. The results show that using damped
outriggers help reduce significantly the top lateral displacement, lateral drift ratio, overturning moment
as well as base shear when the building is subjected to earthquake loading. Together with other
benefits compared to other passive devices, this new technique is effective in seismic design of tall
buildings.
Keywords: damped outrigger, tall building, high-rise building, seismic design, reinforced concrete.


iii

MỤC LỤC
TRANG PHỤ BÌA
LỜI CAM ĐOAN ...........................................................................................................i
MỤC LỤC .................................................................................................................... iii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ...........................................................................................v
DANH MỤC HÌNH VẼ................................................................................................vi
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
1. Tính cấp thiết của đề tài ..........................................................................................1
2. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................... 1
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ..........................................................................1
4. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................1
5. Bố cục luận văn.......................................................................................................2
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NHÀ CAO TẦNG VÀ HỆ TẦNG CỨNG CÓ
SỬ DỤNG THIẾT BỊ CẢN NHỚT..............................................................................3
1.1. Tổng quan về nhà cao tầng .....................................................................................3

1.1.1. Định nghĩa và phân loại nhà cao tầng ............................................................... 3
1.1.2. Kết cấu nhà cao tầng và xu hướng phát triển ....................................................4
1.2. Kết cấu hệ tầng cứng trong nhà cao tầng ................................................................ 9
1.2.1. Khái quát về hệ kết cấu có tầng cứng ............................................................... 9
1.2.2. Vị trí của tầng cứng .........................................................................................11
1.3. Hệ tầng cứng có sử dụng thiết bị cản chất lỏng nhớt ...........................................13
1.3.1. Giới thiệu về hệ tầng cứng có sử dụng thiết bị cản nhớt trong nhà cao tầng ..13
1.3.2. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của thiết bị cản nhớt ......................................13
1.3.3. Nguyên lý làm việc của hệ cản chất lỏng nhớt trong hệ tầng cứng ................14
CHƢƠNG 2. PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC CHO NHÀ CAO TẦNG CÓ
SỬ DỤNG THIẾT BỊ CẢN NHỚT............................................................................15
2.1. Phương trình dao động của hệ chịu tải trọng động đất...........................................15
2.1.1. Mô hình bài toán dao động ..............................................................................15
2.1.2. Hệ một bậc tự do chịu tác dụng của tải trọng động đất ...................................15
2.1.3. Hệ nhiều bậc tự do chịu tác dụng của tải trọng động đất .................................16
2.1.4. Hệ cản nhớt chất lỏng ......................................................................................17
2.1.5. Nhà nhiều tầng với tầng cứng có sử dụng thiết bị cản nhớt ............................ 17
2.2. Tải trọng động đất ..................................................................................................19
2.2.1. Định nghĩa ........................................................................................................19


iv
2.2.2. Thang cường độ động đất ................................................................................19
2.2.3. Các phương pháp xác định tải trọng động đất ................................................22
CHƢƠNG 3. MÔ HÌNH HÓA VÀ PHÂN TÍCH NHÀ CAO TẦNG CÓ SỬ
DỤNG THIẾT BỊ CẢN NHỚT CHO HỆ TẦNG CỨNG .......................................30
3.1. Mô tả bài toán .........................................................................................................30
3.2. Lập mô hình tính toán............................................................................................. 31
3.2.1. Kết cấu có hệ tầng cứng trong Etabs ............................................................... 31
3.2.2. Kết cấu hệ tầng cứng có cản ...........................................................................31

3.3. Xác định sơ bộ giá trị hệ số cản của thiết bị cản nhớt ............................................33
3.4. Phân tích kết quả ....................................................................................................33
3.4.1. Sự hấp thụ và tiêu tán năng lượng ...................................................................33
3.4.2. Khảo sát hiệu quả kháng chấn của thiết bị cản ................................................37
3.5. Nhận xét và đánh giá .............................................................................................. 42
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................43
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 44
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao)


v

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Số hiệu
bảng

Tên bảng

Trang

2.1.

Bảng thang động đất MSK-64

20

2.2.

Bảng thang động đất Richter

21

2.3.

Giá trị của các tham số mô tả các phổ phản ứng đàn hồi

24

3.1.

Giá trị chuyển vị tầng

33

3.2.

Giá trị chuyển vị lệch tầng (%)

35

3.3.

Giá trị của hệ số cản, monen và lực cắt đáy

37

3.4.

Giá trị của hệ số cản và monen của các tầng

39

3.5.

Giá trị của hệ số cản và lực cắt của các tầng

41


vi

DANH MỤC HÌNH VẼ
Số hiệu
hình
1.1.
1.2.
1.3.
1.4.
1.5.
1.6.
1.7.
1.8.
1.9.
1.10.
1.11.
2.1.
2.2.
2.3.
2.4.

Tên hình

Trang

Mô hình chịu lực của kết cấu khung - vách
Tòa nhà Aon Center, Chicago, U.S.A
Tòa tháp Burj Khalifa, Dubai
Tòa nhà Keangnam, thành phố Hà Nội, Việt Nam
Tòa nhà St Francis Shanri-La Place, Philipine
Hệ kết cấu được bố trí tầng cứng
Mô hình chịu lực của kết cấu có tầng cứng
Mô hình nhà cao tầng có 1 tầng cứng
Lắp đặt thiết bị cản nhớt vào công trình
Cấu tạo thiết bị cản chất lỏng silicone của hãng Taylor Devices
Bố trí thiết bị cản nhớt trong hệ tầng cứng
Mô hình hệ một bậc tự do
Hệ một bậc tự do chịu tải trọng động đất
Hệ nhiều bậc tự do chịu tải trọng động đất
Mô hình vách congxon với hệ tầng cứng có độ cản

4
5
6
7
9
10
11
12
13
14

14
15
15
16
18

2.5a.

Hệ số cản nhớt ứng với năm dạng dao động đầu tiên: =0.55

18

2.5b.

Hệ số cản nhớt ứng với năm dạng dao động đầu tiên: =1.0
Dạng của phổ phản ứng đàn hồi
Phổ phản ứng đàn hồi cho các loại nền đất từ A đến E (độ cản
5%)
Mặt bằng công trình
Mô hình có tầng cứng
Mặt bằng tầng cứng
Mô hình công trình có sử dụng thiết bị cản
Chuyển vị tầng và chiều cao công trình khi C=20000MNs/m
Chuyển vị lệch tầng và chiều cao công trình khi
C=20000MNs/m
Ảnh hưởng của hệ số cản đến lực cắt đáy
Ảnh hưởng của hệ số cản đến monem đáy
Ảnh hưởng của hệ số cản đến momen của các tầng
Ảnh hưởng của hệ số cản đến lực cắt của các tầng

19

2.6.
2.7.
3.1.
3.2a.
3.2b.
3.3.
3.4.
3.5.
3-6.
3.7.
3.8.
3.9.

24
25
30
31
31
32
35
37
38
39
40
42


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong những năm gần đây, nhà cao tầng, siêu cao tầng đang phát triển mạnh
mẽ. Do quỹ đất đô thị hạn hẹp, mật độ dân số cao nên việc phát triển những dự án cao
tầng và siêu cao tầng đang là sự lựa chọn tất yếu. Ngoài ra, các tập đoàn kinh tế lớn
trên thế giới thường khẳng định tiềm lực kinh tế, tài chính thông qua việc đầu tư xây
dựng những tòa nhà có quy mô lớn, cao tầng. Cùng với sự phát triển của công nghệ
xây dựng, các tòa nhà hiện đại ngày càng trở nên cao hơn, mảnh hơn, vật liệu sử dụng
nhẹ hơn và cường độ cao hơn.
Kết quả của sự phát triển đó dẫn đến việc các tòa nhà nhạy cảm với các kích
thích động học của tải trọng gió và động đất. Công nghệ xây dựng phát triển cũng tạo
ra nhiều thách thức cho môn khoa học kết cấu công trình và việc sử dụng tầng cứng
cho nhà cao tầng ngày càng phổ biến hơn. Tuy nhiên, đối với hệ kết cấu có tầng cứng
khi chịu tải trọng ngang, lõi có xu hướng xoay lúc này các cột phía ngoài liên kết với
tầng cứng (được thiết kế như một hệ dầm ngang rất cứng kết nối lõi với hệ cột phía
ngoài) có thể ngăn cản sự xoay của lõi làm giảm đáng kể chuyển vị đỉnh của công
trình. Khuynh hướng này làm xuất hiện chuyển động thẳng đứng trái chiều giữa các
cột biên và phần cuối của tầng cứng, dẫn đến sàn liên kết giữa vách và cột biên sẽ bị
uốn cong gấp đôi. Vấn đề cần thiết đặt ra là tìm cách để tiêu tán đi năng lượng do
chuyển động trái chiều đó tại vị trí tầng cứng, do đó hệ cản nhớt được bố trí thẳng
đứng tại vị trí cuối tầng cứng liên kết với cột. Đây là lý do để thực hiện nghiên cứu đề
tài nghiên cứu “Phân tích ứng xử của nhà cao tầng có sử dụng thiết bị cản nhớt cho
hệ tầng cứng” .
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Tìm hiểu nguyên lý làm việc của hệ cản chất lỏng nhớt (fluid viscous
damper).
- Đánh giá hiệu quả kháng chấn của phương án sử dụng hệ cản chất lỏng nhớt
cho hệ tầng cứng trong nhà cao tầng khi chịu tải trọng động đất.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Nhà cao tầng có sử dụng thiết bị cản nhớt cho hệ tầng
cứng.
- Phạm vi nghiên cứu: Nhà cao tầng bê tông cốt thép chịu tải trọng động đất.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Dựa theo các tài liệu, các tiêu chuẩn trong và ngoài nước về tính toán hệ kết
cấu có gắn hệ cản chất lỏng nhớt.


2
- Sử dụng phần mềm phân tích kết cấu dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn
(ETABS...) để thực hiện mô hình hóa nhà cao tầng trong hai trường hợp không sử
dụng thiết bị cản nhớt và có sử dụng thiết bị cản nhớt cho tầng cứng.
5. Bố cục luận văn
Luận văn bao gồm những nội dung cơ bản như sau:
Chương 1: Tổng quan về nhà cao tầng và hệ tầng cứng có sử dụng thiết bị cản
nhớt.
Chương 2: Phân tích động lực học cho nhà cao tầng có sử dụng thiết bị cản
nhớt.
Chương 3: Mô hình hóa và phân tích nhà cao tầng có sử dụng thiết bị cản nhớt
cho hệ tầng cứng.
Kết luận và kiến nghị .
Tài liệu tham khảo.


3

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ NHÀ CAO TẦNG VÀ
HỆ TẦNG CỨNG CÓ SỬ DỤNG THIẾT BỊ CẢN NHỚT
1.1. Tổng quan về nhà cao tầng

1.1.1. Định nghĩa và phân loại nhà cao tầng
a. Định nghĩa
Nhà cao tầng là loại công trình xây dựng lớn và phức tạp. Không giống như các
công trình thấp tầng khi chịu tác dụng chủ yếu của tải trọng đứng thì nhà cao tầng với
chiều cao lớn, sự làm việc của nó như một console có độ mảnh lớn khi chịu tác dụng của
tải trọng ngang (do gió, do động đất) thì làm cho chuyển vị ngang của công trình lớn ảnh
hưởng đến tâm lý sử dụng cũng như gây ra nội lực lớn trong hệ kết cấu.
Theo Ủy ban Nhà cao tầng Quốc tế: “Ngôi nhà mà chiều cao của nó là yếu tố
quyết định các điều kiện thiết kế, thi công hoặc sử dụng khác với ngôi nhà thông thường
được gọi là nhà cao tầng”.
b. Phân loại
- Phân loại theo mục đích sử dụng: nhà ở, nhà làm việc và các dịch vụ
khác.
- Phân loại theo hình dạng:
+ Nhà tháp: mặt bằng vuông, tròn, tam giác hay đa giác đều. Việc giao thông theo
phương đứng, tập trung ở một khu vực duy nhất (khách sạn, phòng làm việc).
+ Nhà dạng thanh: mặt bằng hình chữ nhật, có nhiều đơn vị giao thông theo
phương đứng (nhà ở).
- Phân loại theo chiều cao nhà:
+ Nhà cao tầng loại I: từ 9 đến 16 tầng (từ 40 đến 50m).
+ Nhà cao tầng loại II: từ 17 đến 25 tầng (dưới 80m).
+ Nhà cao tầng loại III: từ 26 đến 40 tầng (dưới 100m).
+ Nhà rất cao: trên 40 tầng (trên 100m).
- Phân loại theo vật liệu cơ bản dùng để thi công kết cấu chịu lực:

+ Nhà cao tầng bằng bê tông cốt thép.
+ Nhà cao tầng bằng thép.
+ Nhà cao tầng có kết cấu hỗn hợp bê tông cốt thép và thép.
- Về mặt kết cấu, một công trình được định nghĩa là cao tầng khi độ bền vững và
chuyển vị của nó do tải trọng ngang quyết định. Tải trọng ngang bao gồm tải trọng gió,

động đất, ...


4
1.1.2. Kết cấu nhà cao tầng và xu hướng phát triển
Kết cấu nhà cao tầng bắt đầu thịnh hành tại Mỹ từ những năm 60-70 của thế kỷ
trước, tập trung tại một số thành phố lớn như Chicago, Los Angeles và New York.
Loại hình kết cấu phổ biến ban đầu là khung và khung-vách. Hệ kết cấu khung, làm
bằng thép hoặc bê tông cốt thép, có ưu điểm vượt trội so với kết cấu khối xây sử dụng
cho các công trình nhiều tầng trước đó. Kết cấu đơn giản, hình thành bởi các cột và
dầm liên tục với các nút chịu mô men, có đặc điểm là tương đối nhẹ giúp giảm ảnh
hưởng của động đất lên công trình. Đồng thời khả năng hấp thụ năng lượng tốt cho
phép kết cấu có ứng xử dẻo dưới tác động của động đất, hạn chế các phá hoại mang
tính “dòn” và “phát triển” như đối với kết cấu khối xây . Mặc dù vậy, kết cấu khung
cũng có hạn chế khi sử dụng cho các công trình cần không gian rộng như văn phòng
hay trung tâm thương mại, do tương đối nhiều cột. Hệ kết cấu này thích hợp cho công
trình dưới 25 tầng, với công trình cao hơn hệ kết cấu khung tỏ ra không kinh tế.
Kết cấu khung - vách (Hình 1.1) là sự kết hợp giữa hai loại hình kết cấu vách và
khung cùng chịu tải trọng ngang. Hệ kết cấu này có ưu điểm so với kết cấu khung bởi
tương tác giữa hai hình thái biến dạng dạng cắt (của khung) và biến dạng dạng uốn
(của vách) làm tăng độ cứng của hệ. Loại kết cấu này thích hợp với công trình khoảng
từ 10 đến 50 tầng và có thể cao hơn. Nếu sử dụng dầm mở rộng nách, hệ kết cấu này
có thể áp dụng cho công trình đạt tới 70 hoặc 80 tầng. Tuy nhiên, việc lựa chọn hệ kết
cấu này cho công trình cao hơn 50 tầng sẽ dẫn đến nhiều vấn đề như khoảng cách giữa
các cột gần nhau, dầm có chiều cao lớn, tường có nhiều lỗ mở, dẫn đến làm việc giống
khung, sự làm việc tương tác khung - vách sẽ bị hạn chế [1].

Hình 1.1. Mô hình chịu lực của kết cấu khung - vách

5
Kết cấu lõi thường được cấu thành bởi các vách thang máy và thang bộ. Do là
kết cấu không gian, nên hệ lõi có thể chịu được tải trọng đứng, lực cắt, mô men và
xoắn theo hai phương. Hình dạng của lõi phụ thuộc vào yêu cầu bố trí mặt bằng kiến
trúc hoặc kỹ thuật, có thể thay đổi từ lõi đơn tới nhiều lõi. Hệ khung sàn bao quanh lõi
có thể là kết cấu bê tông đổ tại chỗ, bê tông đúc sẵn hoặc sàn thép. Hạn chế lớn nhất
của hệ kết cấu này là kích thước của lõi thường bị giới hạn, do đó hiệu quả chịu lực
ngang và tính truyền lực của sàn sẽ không cao khi kết cấu làm việc như một công son
[2]. Hệ kết cấu này phù hợp nhất với công trình cao khoảng 40 tầng.
Giai đoạn những năm 1970-1980 là giai đoạn kết cấu ống được áp dụng nhiều.
Các tòa nhà như Aon Center (Chicago) 83 tầng cao 346m (Hình 1.2), Willis Tower
(Chicago) 108 tầng cao 442m và World Trade Center (New York) 110 tầng cao 417m
là những công trình tiêu biểu.

Hình 1.2. Tòa nhà Aon Center, Chicago, U.S.A


6
Hệ kết cấu ống ban đầu được cấu tạo bởi cách bố trí nhiều cột và dầm sát nhau.
Sau đó hệ kết cấu này biến thể với sự xuất hiện của nhiều kiểu giằng chéo, bố trí vượt
nhiều tầng theo chiều cao, tạo thành hệ giàn tại mặt ngoài công trình. Sự làm việc hiệu
quả của hệ kết cấu này thể hiện ở chỗ phát huy tối đa khoảng cách cột biên xung quanh
nhà. Tuy nhiên chuyển vị ngang của tòa nhà có thể lớn phụ thuộc vào hình dạng của
ống. Xét về khía cạnh kinh tế hệ kết cấu này nên áp dụng với nhà cao trên 40 tầng.
Tuy nhiên, hệ kết cấu này gặp phải hiện tượng trễ cắt (shear lag) [3], là vấn đề cần
phải chú ý khi thiết kế vì nó làm tăng ứng suất của cột và dầm tại các khu vực các góc
nhà.
Từ những năm 2000 trở lại đây xu hướng xây dựng nhà cao tầng đã lan sang
các nước châu Á như Nhật Bản, Hồng Kông, Hàn Quốc, Singapore, Trung Quốc và
Trung Đông. Các hệ kết cấu phức tạp như hệ siêu khung, giàn không gian, bó lõi được

áp dụng cho những công trình có chiều cao lớn. Điển hình là tòa tháp Burj Khalifa
Dubai, sử dụng hệ kết cấu bó lõi kết hợp đai biên đã cho phép công trình đạt tới chiều
cao 828m (160 tầng), hiện nay là công trình nhà cao nhất thế giới (Hình 1.3).

Hình 1.3. Tòa tháp Burj Khalifa, Dubai


7
Kết cấu có tầng cứng dựa trên một nguyên lý vật lý đơn giản để chuyển hóa lực
cắt tầng từ lõi trung tâm thành lực dọc trong cột nằm ở biên công trình khi chịu tải
trọng ngang, thông qua một hoặc nhiều dầm cứng bố trí tại các vị trí hợp lý theo chiều
cao, giúp tăng đáng kể độ cứng ngang của công trình [1]. Nguyên lý này có thể sử
dụng cho một số hình thái kết cấu như đai biên cho phép huy động toàn bộ các cột
biên tham gia chống mômen lật, hoặc siêu khung khi mô men lật được chịu bởi một số
cặp cột lớn. Hơn nữa, hệ kết cấu tầng cứng còn có ưu điểm là hạn chế ảnh hưởng của
hiện tượng chênh lệch biến dạng co ngắn giữa cột ngoài và lõi do lực dọc gây ra. Hiện
nay, hệ kết cấu này được áp dụng rất nhiều. Ở Việt Nam một số công trình sử dụng hệ
tầng cứng như Tòa nhà Bitexco (thành phố Hồ Chí Minh) 68 tầng cao 262m, tòa nhà
Keangnam (thành phố Hà Nội) 70 tầng cao 330m (Hình 1.4). Theo báo cáo tại hội
nghị Quốc tế về nhà cao tầng tại Thượng Hải 2010 [4], từ năm 2000 đến 2010 có 73%
kết cấu nhà cao tầng sử dụng hệ kết cấu lõi cứng - tầng cứng, trong đó 50% là kết cấu
bê tông cốt thép. Với ưu thế về khả năng làm việc, hệ kết cấu lõi - tầng cứng có thể
cao tới 150 tầng [5].

Hình 1.4. Tòa nhà Keangnam, thành phố Hà Nội, Việt Nam


8
Bên cạnh sự phát triển về chiều cao và tính phức tạp của loại hình kết cấu, các
công trình cao tầng và siêu cao tầng còn là nơi mà các vật liệu mới và công nghệ tiên

tiến được triển khai áp dụng, xuất phát từ những đòi hỏi cao về kỹ thuật cần phải xử lý
trong thiết kế và thi công xây lắp. Cường độ bê tông khoảng 34 MPa đã được xem là
cao vào những năm 1950, tới năm 1960 đạt 41MPa đến 52 MPa. Những năm 1970, bê
tông 62 MPa được sử dụng cho công trình Water Tower Palace ở Chicago và tới năm
1989 công trình Quảng trường Công đoàn tại Seattle sử dụng bê tông có cường độ 131
MPa. Hiện nay cường độ bê tông đúc tại hiện trường có thể đạt tới 138 MPa. Nghiên
cứu trong phòng thí nghiệm, sử dụng vật liệu và giải pháp đặc biệt, cường độ bê tông
có thể đạt 800 Mpa [6]. Bên cạnh đó, bê tông còn được phát triển theo hướng tính
năng cao (high performance concrete) với mục đích cụ thể như cường độ cao, phát
triển cường độ sớm, tăng mô-đun đàn hồi, tăng độ bền và kéo dài thời thời gian ninh
kết... nhằm đáp ứng nhu cầu thực tiễn. Kết cấu thép đóng vai trò quan trọng, tạo nên sự
phát triển rõ nét đối với nhà cao tầng sử dụng loại vật liệu này. Bắt đầu từ năm 1856
(Taranath), điển hình như tháp Eiffel (300m) được xây dựng năm 1889, tòa nhà
Flatiron (87m) ở Chicago năm 1902 và Chryler Building (319m) ở Manhatan năm
1929. Các tòa nhà sử dụng kết cấu thép còn đánh dấu những bước tiến về chiều cao
như Empire State Building cao 381m năm 1931 và World Trade Tower cao 412m năm
1972. Vật liệu composite bắt đầu được sử dụng từ năm 1969 cho một công trình cao 20
tầng bằng việc dùng hỗn hợp kết cấu thép-bê tông cho cột và dầm [7,8]. Ngày nay,
những ưu thế về tính kinh tế, độ cứng, tính cản lớn của bê tông kết hợp với tính nhẹ, dễ
xây dựng của thép đã mở ra thời kỳ mới cho việc ứng dụng các loại hình kết cấu hỗn
hợp lớn như siêu cột, siêu khung.
Vật liệu sử dụng cho nhà cao tầng có cường độ ngày càng cao, cùng với giải
pháp xây dựng công trình ngày một hiệu quả dẫn đến các tòa nhà cao tầng hiện nay
nhẹ hơn, dễ nhạy cảm với tác động của tải trọng ngang (gió, động đất). Tùy theo tính
chất của vật liệu và dạng kết cấu, luôn tồn tại một lượng cản nhất định trong hệ kết
cấu. Chính giá trị cản này làm giảm tác dụng của tải trọng lên công trình, đồng thời
tăng độ dẻo của kết cấu. Theo hướng này đối với từng dạng tải trọng cần có những loại
cản phù hợp. Có hai loại cản là hệ thống bị động (passive system) và chủ động (active
system) [9]. Hệ thống bị động được gắn vào kết cấu làm việc theo định hướng, không
cần năng lượng cung cấp, trong khi đó hệ thống chủ động cần cơ chế kích động hoặc

tác động chủ động nhằm thay đổi các phần tử kết cấu chống lại thay đổi của tải trọng.
Ở những nơi có động đất mạnh, các giải pháp làm giảm tác động của động đất được ưu
tiên sử dụng như hệ thống cách chấn, chống sốc, cản nhớt. Ngày nay do sự phát triển
của công nghệ các hệ thống cản bị động được ưu tiên sử dụng, nó vừa có tác dụng làm


9
tăng khả năng cản của kết cấu (có thể lên đến 5-10%) vừa không quá tốn kém. Điển
hình các hệ thống cản dạng con lắc ở tòa nhà Taipei 101 [6], cản nhớt được đặt vào vị
trí liên kết giữa tầng cứng và cột tại tòa nhà St Francis Shanri-La Place, Philipine cao
210m (Hình 1.5).

Hình 1.5. Tòa nhà St Francis Shanri-La Place, Philipine
Với sự phát triển về độ phức tạp và chiều cao kết cấu, về vật liệu và ứng dụng
công nghệ mới, phương pháp phân tích và thiết kế kết cấu chịu động đất cũng hình
thành những khái niệm mới.
1.2. Kết cấu hệ tầng cứng trong nhà cao tầng
1.2.1. Khái quát về hệ kết cấu có tầng cứng
Một kết cấu tầng cứng cao tầng bao gồm một lõi chính bằng bê tông cốt thép
hoặc khung giằng bằng thép kết nối với các cột ngoài bởi các console ngang có độ


10
cứng uốn lớn. Lõi có thể được đặc giữa các hàng cột với các tầng cứng được mở rộng
ra hai bên hoặc nó có thể nằm ở một bên của tòa nhà với console kết nối với các cột
phía bên kia (Hình 1.6).

Hình 1.6. Hệ kết cấu được bố trí tầng cứng
Khi có tải trọng ngang tác dụng vào công trình, các cột được liên kết với tầng
cứng có thể ngăn cản góc xoay của lõi làm giảm đáng kể chuyển vị ngang trên đỉnh

của lõi so với trường hợp lõi đứng tự do. Nguyên lý làm việc của hệ thống này là sử
dụng lõi để chịu hầu hết tải trọng ngang, đồng thời phân khả năng chịu cắt theo
phương đứng từ lõi ra cột ngoài thông qua cánh đòn của tầng cứng. Những dầm cứng
này được phát triển ra dàn đai biên cho phép các cột biên tham gia vào chịu mômen
lật. Do đó, khi tải trọng ngang tác động lên công trình, tầng cứng, các cột biên kết hợp
cùng với đai biên ngăn cản góc xoay và làm giảm chuyển vị theo phương ngang của
kết cấu. Hệ tầng cứng trong nhà cao tầng làm tăng độ cứng của công trình so với hệ
kết cấu không dùng tầng cứng. Tầng cứng đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối
lõi và các cột ngoài cùng chịu lực. Hệ thống này còn có tác dụng hạn chế sự khác nhau
về việc co ngắn lại giữa cột ngoài và lõi do tác động môi trường và lực dọc gây ra.


11

Hình 1.7. Mô hình chịu lực của kết cấu có tầng cứng
Cơ chế làm việc trên chỉ ra rằng, sự làm việc của hệ kết cấu phụ thuộc vào số
lượng tầng cứng và các đai biên. Vì vậy, vị trí của tầng cứng bố trí trong nhà cao tầng
ảnh hưởng rất lớn đến sự làm việc tổng thể của tòa nhà. Ngoài ra, giá trị của việc làm
giảm chuyển vị và mô men của lõi phụ thuộc vào quan hệ tương đối giữa độ cứng của
lõi và cột tính theo phương đứng đối với trọng tâm của lõi [10].
1.2.2. Vị trí của tầng cứng
Vị trí của tầng cứng có ảnh hưởng rất lớn đến sự làm việc của nhà cao tầng. Có
rất nhiều nghiên cứu về ảnh hưởng của vị trí tầng cứng đối với hệ kết cấu.
a. Nhà cao tầng có 1 tầng cứng
Đối với nhà cao tầng có 1 tầng cứng, dựa trên các giả thiết sau đây:
- Tầng cứng được liên kết ngàm với lõi;
- Lõi được liên kết ngàm với cột;
- Bỏ qua ảnh hưởng của lực kéo;
- Đặc trưng mặt cắt của lõi, cột và dầm cứng không thay đổi trên toàn bộ
chiều cao của công trình;

- Kết cấu làm việc đàn hồi tuyến tính.
Taranath [6] đã đưa ra công thức xác định vị trí tầng cứng tối ưu là:
M x W( x3   3 ) M x (  x)


(1)
Kx
6 EI
EI

Trong đó:
W - tải trọng gió tác dụng lên công trình theo chiều cao;

M x - mô men tại vị trí x (vị trí tầng cứng);

I - mô men quán tính của lõi;
E - mođun đàn hồi của lõi;


12
K x - độ cứng đàn hồi tại vị trí x được xác định như sau:
x

AE d 2
(2)
(  x ) 2

 - chiều cao công trình;
d - khoảng cách giữa các cột ngoài;

A - diện tích tiết diện của các cột biên.

Chuyển vị ở đỉnh của công trình () được xác định theo công thức sau:


Mx
(  x)(  x) (3)
2 EI

Từ công thức (3) lấy đạo hàm theo x có thể xác định vị trí có  nhỏ nhất
tại x  0, 445 .

Hình 1.8. Mô hình nhà cao tầng có 1 tầng cứng
b. Nhà cao tầng có 2 tầng cứng
Theo McNabb và Muvdi [11] nghiên cứu sự làm việc của nhà cao tầng có 2
tầng cứng với mục đích tìm ra vị trí tầng cứng tối ưu sao cho chuyển vị đỉnh công trình
là nhỏ nhất. Kết quả nghiên cứu của 2 nhà khoa học này cho thấy vị trí tối ưu của tầng
cứng là 0,312 và 0,685 chiều cao nhà tính từ trên đỉnh công trình. Cũng theo kết quả
nghiên cứu của các tác giả này thì chuyển vị đỉnh và độ lệch tầng phụ thuộc vào đặc
trưng của lõi, khoảng cách và đặc trưng của cột ngoài.
c. Nhà cao tầng có nhiều tầng cứng
Đối với nhà cao tầng có nhiều tầng cứng (n tầng cứng), sự làm việc của kết cấu
phụ thuộc vào tỉ số độ cứng của lõi – cột, lõi – tầng cứng, số lượng tầng cứng và vị trí
tầng cứng. Tuy nhiên, theo các kết quả nghiên cứu của Smith và Salim [10] cho thấy,
nhà càng có nhiều tầng cứng thì chuyển vị ngang càng giảm đi. Mặc dù vậy, nhà cao


13
tầng có đến 4 tầng cứng được xem là tối đa và thích hợp, với số tầng cứng hơn 4 thì
tác dụng của nó thấp đi. Một cách tổng quát, tầng cứng nên thiết kế tại các vị trí:

1 (n  1), 2 (n  1),...n  / (n  1)
1.3. Hệ tầng cứng có sử dụng thiết bị cản chất lỏng nhớt
1.3.1. Giới thiệu về hệ tầng cứng có sử dụng thiết bị cản nhớt trong nhà cao tầng
Ngày nay, sự phát triển về công nghệ và các thiết bị hỗ trợ sẽ có những cải tiến
theo hướng tăng khả năng làm việc hiệu quả của kết cấu. Nhóm nghiên cứu của hãng
Arup đã ứng dụng các thiết cản chất lỏng nhớt vào các công trình xây dựng (Hình 1.6).
Đây là phương pháp kỹ thuật mới làm giảm năng lượng tác động và làm tăng độ cứng
cho công trình, giúp giảm đáng kể chuyển vị ngang. sử dụng các thiết bị cản nhớt vào
các công trình xây dựng trên thế giới, điển hình là tòa nhà St Francis Shanri-La Place,
Philipine cao 210m, được đưa vào sử dụng năm 2008 (Hình 1.5) [12].

Hình 1.9. Lắp đặt thiết bị cản nhớt vào công trình [12]
1.3.2. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của thiết bị cản nhớt
- Cấu tạo: Các hệ thống điều khiển kết cấu chống động đất thường được sử dụng
là hệ cô lập móng và các thiết bị cản làm việc theo nguyên lý khác nhau (cản nhớt, cản
đàn nhớt, cản ma sát, ...). Và hệ cản chất lỏng nhớt là một hệ thống được sử dụng ngày
càng phổ biến trong nhà cao tầng trong những năm gần đây. Hình 1.10 trình bày cấu tạo
một dạng hệ cản lợi dụng tính nhớt của chất lỏng silicone do hãng Taylor Devices chế tạo.


14

Hình 1.10. Cấu tạo thiết bị cản chất lỏng silicone của hãng Taylor Devices
- Nguyên lý làm việc: Lỗ cản hình vành khuyên được tạo thành bởi khoảng hở

giữa mặt trong của cylinder và mặt ngoài của đầu pistol làm bằng đồng. Chất lỏng chuyển
động với vận tốc cao qua lỗ hình vành khuyên tạo ra sự chênh áp suất tại đầu pistol và
sinh ra lực cản.
1.3.3. Nguyên lý làm việc của hệ cản chất lỏng nhớt trong hệ tầng cứng
Tầng cứng trong nhà cao tầng thông thường được thiết kế như một hệ dầm

ngang, rất cứng (thường gọi là dầm cứng) hay tầng cứng kết nối lõi với các tường và
cột ở phía ngoài (Hình 1.11). Theo đó, lõi thường được bố trí ở giữa các cột và dầm
cứng phát triển ra các hướng để liên kết lõi và cột. Tuy nhiên, khi chịu tải trọng ngang,
lõi có xu hướng xoay lúc này các cột phía ngoài liên kết với tầng cứng có thể ngăn cản
sự xoay của lõi làm giảm đáng kể chuyện vị đỉnh của công trình. Khuynh hướng này
làm xuất hiện chuyển động thẳng đứng trái chiều giữa các cột biên và phần cuối của
tầng cứng, dẫn đến sàn liên kết giữa vách và cột biên sẽ bị uốn cong gấp đôi. Vấn đề
cần thiết đặt ra là tìm cách để tiêu tán đi năng lượng do chuyển động trái chiều đó tại
vị trí tầng cứng, do đó hệ cản nhớt được bố trí thẳng đứng tại vị trí cuối tầng cứng liên
kết với cột.

Hình 1.11. ố trí thiết bị cản nhớt trong hệ tầng cứng [12]


15

CHƢƠNG 2
PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC CHO
NHÀ CAO TẦNG CÓ SỬ DỤNG THIẾT BỊ CẢN NHỚT
2.1. Phƣơng trình dao động của hệ chịu tải trọng động đất
2.1.1. Mô hình bài toán dao động
Xét khối lượng M là vật cứng không biến dạng. Biểu diễn hệ gồm khối lượng
M nối với một liên kết, trong liên kết phát sinh lực F (u, u) là hàm chuyển vị u (t ) và
vận tốc u (t ) (Hình 2.1). Thường lực F gồm hai thành phần: phần lực đàn hồi và phần
lực cản. Khối lượng M dao động dưới tác dụng của lực cản p(t ) nào đó.

Hình 2.1. Mô hình hệ một bậc tự do
Trong trường hợp F chỉ có lực đàn hồi tỉ lệ tuyến tính với chuyển vị
u(t ) : F  Ku nên hệ đàn hồi tuyến tính, liên kết là lò xo. Thực tế lực F có thể không

tuyến tính với u nên hệ đàn hồi phi tuyến.
Thực tế trong lực F ngoài thành phần đàn hồi còn có lực cản làm mất mát năng
lượng của hệ. Lực cản có nhiều nguồn gốc khác nhau như: lực ma sát do tiếp xúc, ma
sát trong của vật liệu, biến dạng đàn nhớt…Đa số các bài toán ta có thể mô hình lực
cản đó tương đương với lực cản nhớt tuyến tính: F  cu .
2.1.2. Hệ một bậc tự do chịu tác dụng của tải trọng động đất

Hình 2.2. Hệ một bậc tự do chịu tải trọng động đất
Phương trình dao động: Gọi ug (t ) là chuyển vị của nền do động đất so với cột
mốc cố định nào đó, u (t ) là chuyển vị tương đối của hệ so với nền.


16
Chuyển vị tuyệt đối của hệ so với mốc cố định:
x(t )  ug (t )  u(t )

Phương trình cân bằng:
fS  fD  fI  0

Hay:
Mx  Cu  Ku  0

Thay x  ug  u ta được:
Mu  Cu  Ku  Mug

Như vậy, khi nền rung lắc có thể coi hệ như đứng trên nền cứng chịu một lực
quán tính có giá trị:
pe ff (t )  Mug (t )

Phương trình dao động có thể viết lại:

u  20u   2u  ug

2.1.3. Hệ nhiều bậc tự do chịu tác dụng của tải trọng động đất
Gọi chuyển vị nền do động đất gây ra theo phương nào đó là ug (t ) . Xét bậc tự
do thứ (i); gọi ui là chuyển vị tương đối của mi theo phương đang xét, chuyển vị tổng
là:
xi (t )  ug (t )  ui (t )

Tương tự trường hợp hệ một bậc tự do, phương trình dao động của mi viết như
sau:
miui  ciui  kiui  miug (t )

Phương trình cho toàn hệ dưới dạng ma trận:
MU  CU  KU  M ug (t )

Trong đó  là véc tơ chỉ phương tác dụng của động đất ( i  1 nếu phương
động đất trùng ui ; i  0 nếu không trùng). Trong trường hợp đang xét (Hình 2.3) thì
  [11...1]T .

Hình 2.3. Hệ nhiều bậc tự do chịu tải trọng động đất


17
2.1.4. Hệ cản nhớt chất lỏng
Các lý thuyết tính toán thiết kế công trình chống động đất với hệ cản nhớt đã
phát triển qua nhiều năm ở trên thế giới. Nhiều tài liệu tính toán và thử nghiệm cho
phép xác định các đặc tính và phản ứng của hệ kết cấu khi có thiết bị cản nhớt. Chất
lỏng chuyển động với vận tốc cao trong thiết bị sinh ra lực cản. Lực cản của thiết bị
cản được tính theo công thức:
FD = CD u  (1)

Trong (1), F là lực cản của hệ cản nhớt, CD là hệ số cản của thiết bị,

u

là vận

tốc tương đối của hệ,  là số mũ của hệ cản. Với
- = 1 là hệ cản nhớt tuyến tính.
-

< 1 là hệ cản nhớt phi tuyến.

- > 1 thường ít xảy ra trong thực tế.
Công thức đơn giản để xác định hệ số cản của thiết bị được dùng trong hệ một bậc tự
do:
CD = 2mξω (2)

Trong (2), m là tổng khối lượng sàn, x là tỷ số cản do thiết bị cản , w là tần số
tự nhiên (tần số riêng) của kết cấu. Dựa vào kết quả chu kỳ riêng T của kết cấu, tần số
riêng w được tính theo công thức:

ω=

2π
(3)
T

Khảo sát hệ một bậc tự do có gắn hệ cản nhớt chịu tác dụng của tải trọng động
P(t). Theo (1), hệ cản nhớt tuyến tính sẽ có lực cản FD = CDu  với α = 1 .

u, u, u lần lượt là chuyển vị, vận tốc, gia tốc của kết cấu. Phương trình dao động của
hệ một bậc tự do có hệ cản nhớt được viết như sau:
Mu + Cu + Ku = P(t) - FD (4)

Trong đó:
M; C; K lần lượt là khối lượng, độ cản, độ cứng của kết cấu. Khi hệ cản nhớt
làm việc tuyến tính, phương trình dao động của hệ được viết lại như sau:
Mu + (C + CD )u + Ku = P(t) (5)

2.1.5. Nhà nhiều tầng với tầng cứng có sử dụng thiết bị cản nhớt
Phương trình vi phân mô phỏng chuyển động của một vách conxon với hệ tầng
cứng có độ cản đã được nhà khoa học Chen và các cộng sự đề xuất năm 2010.